(57)【要約】【課題】低コストで雷サージ抑制効果が高く、既存の電気所にも容易に適用できる雷サージ保護装置を提供することである。【解決手段】電気所に落雷があったとき、電気所に設けられた機器と制御ケーブル１４との間の浮遊容量Ｃ０を通じて侵入する雷サージから制御ケーブル１４に接続された基盤１７を保護する雷サージ保護装置において、基盤１７側の制御ケーブル１４に直列に接続されたコモンモードチョークＬｃと、コモンモードチョークＬｃの機器１３側に並列に接続された第１コンデンサＣ１と、コモンモードチョークＬｃの基盤１７側に並列に接続された第２コンデンサＣｃとを備える。【選択図】  図１
2010022075.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気所に落雷があったとき、電気所に設けられた機器と制御ケーブルとの間の浮遊容量を通じて侵入する雷サージから前記制御ケーブルに接続された基盤を保護する雷サージ保護装置において、
前記基盤側の前記制御ケーブルに直列に接続されたコモンモードチョークと、
前記コモンモードチョークの前記機器側に並列に接続された第１コンデンサと、
前記コモンモードチョークの前記基盤側に並列に接続された第２コンデンサとを備えたことを特徴とする雷サージ保護装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電気所の機器を操作制御するための制御回路を有した基盤を雷サージから保護する雷サージ保護装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、電気所としての変電所には、変圧器を始め遮断器や断路器等の開閉器などの機器が設置されており、例えば、機器である開閉器は基盤に設置された制御回路にて開閉操作制御される。変電所構内に落雷が発生した場合、雷サージが接地線を経由して制御回路に進入し、基盤を損傷させることがあるので、雷サージ保護装置が設けられている。
【０００３】
図８は変電所での雷サージ伝搬経路の一例を示す説明図である。図８では変電所構内に鉄塔が設置されている場合を示している。鉄塔１１のアース線は、変電所構内のメッシュアース１２に接続されている。雷が鉄塔１１に落ちた際、雷サージは鉄塔１１からメッシュアース１２を経由し、機器１３と制御ケーブル１４との間の浮遊容量を通り制御ケーブル１４に侵入する。さらに、制御ケーブル１４を通った雷サージは、建家１５内の雷サージ保護装置１６で抑制され、制御回路を有した基盤１７内に雷サージが侵入することを防止している。
【０００４】
図９は雷サージ保護装置１６としてサージ吸収コンデンサＣｓを採用した場合の単線回路図である。機器１３の機器内部構造１３ａと基盤１７との間の制御ケーブル１４は分布定数回路で示され、基盤１７側に雷サージ保護装置１６としてのサージ吸収コンデンサＣｓが接続されている。また、機器１３の機器躯体１３ｂと制御ケーブル１４との間には浮遊容量Ｃ０を有している。鉄塔１１に落ちた雷サージは変電所構内のメッシュアース１２に侵入し理想大地１９との間に雷サージ電圧１８が発生する。
【０００５】
この雷サージ電圧はメッシュアース１２を経由し、機器１３と制御ケーブル１４との間の浮遊容量Ｃ０を通り制御ケーブル１４に侵入する。基盤１７側に接続されたサージ吸収コンデンサＣｓは、機器１３と制御ケーブル１４との間の浮遊容量Ｃ０を通り制御ケーブル１４に侵入した雷サージ電圧を吸収し、基盤１７に印加される雷サージ電圧を抑制する。雷サージ電圧が高くサージ吸収コンデンサＣｓだけで雷サージ電圧を吸収することができない場合には、サージ吸収コンデンサＣｓに並列にアレスタを追加して設けることになる。
【０００６】
図１０は、雷サージ保護装置１６を設けることに代えて、制御ケーブル１４としてＣＶＶＳケーブル（シースアース付ケーブル）を採用した場合の電気所の従来例の一例を示す単線回路図である。図１０に示すように、ＣＶＶＳケーブルのシースアース両端はアース線２０でメッシュアース１２に接地されている。これにより、基盤１７の制御回路に侵入する雷サージを大幅に抑制することができる。
【０００７】
雷サージの侵入に際して接続機器の電源回路と通信回路との間に電位差が生じる事態を回避するために、電力線に侵入する雷サージを抑制する雷保護素子と、通信線に侵入する雷サージを抑制する雷保護素子との設置を共通にし、雷サージの侵入に際して、電力線と通信線との間に電位差を生じさせないようにしたものがある（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開平１１−２２５４３３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかし、雷サージ保護装置１６としてサージ吸収コンデンサＣｓを採用する場合には、雷サージ電圧が高い場合にはサージ吸収コンデンサＣｓだけでは雷サージ電圧を抑制しきれず、高電圧が基盤１７に印加されることがある。その場合、高電圧を吸収するためにアレスタを設けなければならない。従って、サージ吸収コンデンサやアレスタでは雷サージ電圧が高い場合は基盤１７に印加される高電圧を完全には防ぎきれない。
【０００９】
また、制御ケーブル１４にＣＶＶＳケーブルを採用するには、ＣＶＶＳケーブルを採用していない既存の変電所の制御ケーブルをＣＶＶＳケーブルに取り替えなければならない。ＣＶＶＳケーブルに張り替える場合は、変電所の数が多く膨大な費用と労力が必要となりコストが高くなってしまう。また、特許文献１の場合も、電力線に侵入する雷サージを抑制する雷保護素子と、通信線に侵入する雷サージを抑制する雷保護素子との双方の雷保護素子を設けなければならないのでコスト高となる。
【００１０】
本発明の目的は、低コストで雷サージ抑制効果が高く、既存の電気所にも容易に適用できる雷サージ保護装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の雷サージ保護装置は、電気所に落雷があったとき、電気所に設けられた機器と制御ケーブルとの間の浮遊容量を通じて侵入する雷サージから前記制御ケーブルに接続された基盤を保護する雷サージ保護装置において、前記基盤側の前記制御ケーブルに直列に接続されたコモンモードチョークと、前記コモンモードチョークの前記機器側に並列に接続された第１コンデンサと、前記コモンモードチョークの前記基盤側に並列に接続された第２コンデンサとを備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、制御ケーブルの基盤側で制御ケーブルに直列にコモンモードチョークを接続し、コモンモードチョークの機器側の制御ケーブルに並列に第１コンデンサを接続するとともに、コモンモードチョークの基盤側の制御ケーブルに並列に第２コンデンサを接続するので、基盤１７に達する電圧を大幅に抑制できる。また、コモンモードチョークと第１コンデンサ及び第２コンデンサを制御ケーブルの基盤側に接続だけでよいことから既存の電気所にも容易に適用でき汎用性が高い。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
図１は本発明の実施の形態に係わる雷サージ保護装置を電気所に適用した場合の一例を示す単線回路図である。本発明の実施の形態では、図９に示したサージ吸収コンデンサＣｓに代えて、基盤１７側の制御ケーブル１４にコモンモードチョークＬｃを直列に接続し、そのコモンモードチョークを挟んで第１コンデンサＣ１及び第２のコンデンサＣｃを並列に接続したものである。
【００１４】
図１において、機器１３の機器内部構造１３ａと基盤１７との間の制御ケーブル１４は分布定数回路で示され、機器１３の機器躯体１３ｂと制御ケーブル１４との間には浮遊容量Ｃ０を有している。また、変電所構内のメッシュアース１２も分布定数回路で示され、鉄塔１１に落ちた雷サージは変電所構内のメッシュアース１２に侵入し理想大地１９との間に雷サージ電圧１８が発生する。
【００１５】
基盤１７側の制御ケーブル１４とメッシュアース１２との間には、雷サージ保護装置１６が接続されている。本発明の実施の形態における雷サージ保護装置１６は、基盤１７側の制御ケーブル１４に直列に接続されたコモンモードチョークＬｃと、コモンモードチョークＬｃの機器１３側に並列に接続された第１コンデンサＣ１と、コモンモードチョークＬｃの基盤側１７に並列に接続された第２コンデンサＣｃとからなる。コモンモードチョークＬｃを用いるのは、雷サージは、コモンモードであるからである。
【００１６】
すなわち、雷サージはメッシュアース１２を経由し、機器１３と制御ケーブル１４との間の浮遊容量Ｃ０を通って制御ケーブル１４に進入してきたことからコモンモードであり、このコモンモードの雷サージを抑制するためである。また、コモンモードチョークＬｃだけでなく、第１コンデンサＣ１及び第２コンデンサＣｃを用いるのは、基盤１７への印加電圧を抑制するためである。これについては後述する。
【００１７】
図２は、図１の雷サージ保護装置１６の詳細図である。雷サージ保護装置１６のコモンモードチョークＬｃは、基盤１７側の制御ケーブル１４に直列に接続される。すなわち、コモンモードチョークＬｃは、１つのコア２１に２つの巻線２２ａ、２２ｂを同方向に同ターン巻いたものであり、コモンモードの電流がコモンモードチョークＬｃを通ると、コア２１に同じ向きの磁束が発生し、インダクタンス成分を持つ。一方、ノーマルモードの電流が流れると，逆向きの磁束が発生し相殺される。このため、ノーマルモードに対してはインダクタンスは零であり、コモンモードに対してのみ大きなインダクタンスを持つ。これにより、コモンモードの雷サージを抑制する。
【００１８】
また、コモンモードチョークＬｃの機器１３側には、第１コンデンサＣ１（Ｃ１１、Ｃ１２）が並列に接続されている。第１コンデンサＣ１は容量が同じである２個のコンデンサＣ１１、Ｃ１２からなり、２個のコンデンサＣ１１、Ｃ１２の中性点はメッシュアース１２に設置されている。同様に、コモンモードチョークＬｃの基盤１７側には、第２コンデンサＣｃ（Ｃｃ１、Ｃｃ２）が並列に接続されている。第２コンデンサＣｃは容量が同じである２個のコンデンサＣｃ１、Ｃｃ２からなり、２個のコンデンサＣｃ１、Ｃｃ２の中性点はメッシュアース１２に設置されている。図２中のＣ０１、Ｃ０２は、機器１３の機器躯体１３ｂと制御ケーブル１４との間の浮遊容量である。
【００１９】
次に、雷サージが制御ケーブル１４に侵入してきたときの基盤１７への印加電圧について検討する。図３は、基盤１７側の制御ケーブル１４にコモンモードチョークＬｃとコンデンサＣｃとを接続した場合の特性検討のための単線回路図である。いま、雷サージ電圧１８の大きさに応じた値となるメッシュアース１２のａｂ間の電圧をＶａｂ、制御ケーブル１４の浮遊容量Ｃ０の浮遊電圧をＶｃ０、基盤１７の印加電圧（コンデンサＣｃ）の電圧をＶｃ、コモンモードチョークＬｃの電圧をＶＬｃとする。そして、コモンモードチョークＬｃのインダクタンスをＬｃ、コンデンサＣｃの容量をＣｃとすると、制御ケーブル１４の浮遊容量Ｃ０の浮遊電圧Ｖｃ０は（１）式で示され、コモンモードチョークＬｃの電圧ＶＬｃは（２）式で示され、基盤１７の印加電圧Ｖｃは（３）式で示される。
【数１】
2010022075.tif 000003
【数２】
2010022075.tif 000004
【数３】
2010022075.tif 000005
【００２０】
また、基盤１７の入力側のインピーダンスＺ１は、コモンモードチョークＬｃとコンデンサＣｃとの直列回路であるので（４）式で示される。
【数４】
2010022075.tif 000006
【００２１】
次に、図４は、本発明の実施の形態における雷サージ保護装置１６（コモンモードチョークＬｃ、第１コンデンサＣ１及び第２コンデンサＣｃ）を基盤１７側の制御ケーブル１４に接続した場合の特性検討のための単線回路図である。
【００２２】
いま、メッシュアース１２のａｂ間の電圧をＶａｂ、制御ケーブル１４の浮遊容量Ｃ０の浮遊電圧をＶｃ０、基盤１７の入力側のインピーダンスをＺ２、基盤１７の入力側のインピーダンスＺ２の電圧（第１コンデンサＣ１の電圧）をＶｚ、基盤１７の印加電圧（第２コンデンサＣｃ）の電圧をＶｃ、コモンモードチョークＬｃの電圧をＶＬｃとする。そして、コモンモードチョークＬｃのインダクタンスをＬｃ、第１コンデンサＣ１の容量をＣ１、第２コンデンサＣｃの容量をＣｃとする。
【００２３】
この場合の基盤１７の入力側のインピーダンスＺ２は、第１コンデンサＣ１と、コモンモードチョークＬｃ及び第２コンデンサＣｃの直列回路との並列回路であるので（５）式で示される。そして、基盤１７の入力側のインピーダンスＺ２の電圧Ｖｚは（６）式で示される。
【数５】
2010022075.tif 000007
【数６】
2010022075.tif 000008
【００２４】
また、制御ケーブル１４の浮遊容量Ｃ０の浮遊電圧Ｖｃ０は（７）式で示され、コモンモードチョークＬｃの電圧ＶＬｃは（８）式で示され、基盤１７の印加電圧Ｖｃは（９）式で示される。
【数７】
2010022075.tif 000009
【数８】
2010022075.tif 000010
【数９】
2010022075.tif 000011
【００２５】
ここで、雷サージの周波数ｆ、電気所としての一般的な変電所での制御ケーブル１４の浮遊容量Ｃ０、その浮遊容量Ｃ０に対するコモンモードチョークＬｃを考慮し、削除第１コンデンサＣ１及び第２コンデンサＣｃの値を以下のように設定して各部の電圧特性を検討する。
【００２６】
雷サージの周波数ｆは２０ｋＨｚ、制御ケーブル１４の浮遊容量Ｃ０は５０ｎＦ、コモンモードチョークＬｃは１５ｍＨ、削除第１コンデンサＣ１は０．５μＦ、第２コンデンサＣｃは０．１μＦとする。
【００２７】
まず、図３に示した基盤１７側の制御ケーブル１４にコモンモードチョークＬｃとコンデンサＣｃとを接続した場合について、制御ケーブル１４の浮遊容量Ｃ０の浮遊電圧Ｖｃ０、コモンモードチョークＬｃの電圧ＶＬｃ、基盤１７の印加電圧Ｖｃを検討する。
【００２８】
制御ケーブル１４の浮遊容量Ｃ０の浮遊電圧Ｖｃ０は、（１）式に、ω＝２πｆ＝２π×２０×１０３、Ｃ０＝５０×１０−９、Ｃｃ＝０．１×１０−６、Ｌｃ＝１５×１０−３を代入すると、｜Ｖｃ０｜＝０．０９６７Ｖａｂが得られる。また、コモンモードチョークＬｃの電圧ＶＬｃは、（２）式に、ω＝２πｆ＝２π×２０×１０３、Ｌｃ＝１５×１０−３、Ｃ０＝５０×１０−９、Ｃｃ＝０．１×１０−６を代入すると、｜ＶＬｃ｜＝１．１４５Ｖａｂが得られる。同様に、基盤１７の印加電圧Ｖｃは、（３）式に、ω＝２πｆ＝２π×２０×１０３、Ｌｃ＝１５×１０−３、Ｃ０＝５０×１０−９、Ｃｃ＝０．１×１０−６を代入すると、｜Ｖｃ｜＝０．０４８３Ｖａｂが得られる。
【００２９】
次に、図４に示す本発明の実施の形態における雷サージ保護装置を接続した場合について、制御ケーブル１４の浮遊容量Ｃ０の浮遊電圧Ｖｃ０、コモンモードチョークＬｃの電圧ＶＬｃ、基盤１７の印加電圧Ｖｃを検討する。
【００３０】
まず、（５）式に、Ｃ１＝０．５×１０−６を代入して、基盤１７の入力側のインピーダンス｜Ｚ２｜を求め、（６）式に、Ｃ１＝０．５×１０−６、Ｃ０＝５０×１０−９を代入して、基盤１７の入力側のインピーダンスＺ２の電圧｜Ｖｚ｜＝０．０９１Ｖａｂを求めておく。
【００３１】
そして、制御ケーブル１４の浮遊容量Ｃ０の浮遊電圧Ｖｃ０は、（７）式に、Ｃ１＝０．５×１０−６、Ｃ０＝５０×１０−９を代入して、｜Ｖｃ０｜＝０．９０９Ｖａｂを求める。また、コモンモードチョークＬｃの電圧ＶＬｃは、（８）式に、ω＝２πｆ＝２π×２０×１０３、Ｌｃ＝１５×１０−３、Ｃｃ＝０．１×１０−６、削除｜Ｖｚ｜＝０．０９１Ｖａｂを代入して、｜ＶＬｃ｜＝０．０９５Ｖａｂを求める。同様に、基盤１７の印加電圧Ｖｃは、（９）式に、ω＝２πｆ＝２π×２０×１０３、Ｌｃ＝１５×１０−３、Ｃｃ＝０．１×１０−６、｜Ｖｚ｜＝０．０９１Ｖａｂを代入して、｜Ｖｃ｜＝０．００４Ｖａｂが得られる。
【００３２】
このようにして求めた、図３及び図４の回路における制御ケーブル１４の浮遊容量Ｃ０の浮遊電圧｜Ｖｃ０｜、コモンモードチョークＬｃの電圧｜ＶＬｃ｜、基盤１７の印加電圧｜Ｖｃ｜の値を表１に示す。
【表１】
2010022075.tif 000012
【００３３】
表１から分かるように、図３の回路では、コモンモードチョークＬｃの電圧｜ＶＬｃ｜が大きくなるので、コモンモードチョークＬｃが飽和する可能性が大きい。コモンモードチョークＬｃが飽和すると、コモンモードチョークＬｃの電圧｜ＶＬｃ｜が零となり、雷サージ電圧が基盤１７に直接的に印加されてしまう。
【００３４】
これに対し、図４の回路では、コモンモードチョークＬｃの電圧｜ＶＬｃ｜が低減され、基盤１７の印加電圧｜Ｖｃ｜も低減されている。コモンモードチョークＬｃの電圧｜ＶＬｃ｜が低減されることから、コモンモードチョークＬｃが飽和する可能性が小さくなり、しかも基盤１７の印加電圧｜Ｖｃ｜も低減されることから、基盤１７に雷サージが印加されることはほとんどなくなる。
【００３５】
図４の回路の特長はコンデンサＣ１を並列に接続することによって基盤１７の入力側のインピーダンスＺ２が減少することである。すなわち（４）式、（５）式からＺ１＞Ｚ２となる。その結果、浮遊容量Ｃ０、制御ケーブル１４、基盤１７の入力インピーダンスＺ１（Ｚ２）、メッシュアース１２の閉回路において、図３に対して図４の電圧Ｖabは、浮遊容量Ｃ０に印加される電圧Ｖｃ０の割合が増加し、Ｚ２に印加される電圧Ｖｚの割合が減少する。更に電圧ＶｚをコモンモードチョークＬｃとＣｃで分圧することによって基盤１７の印加電圧Ｖｃが小さくなる。
【００３６】
図５は、図１の回路において、本発明の実施の形態における雷サージ保護装置１６を設けていない場合の雷サージ電圧Ｖｓ及び基盤１７の印加電圧Ｖｃの特性図である。雷サージ保護装置１６を設けていない場合には、基盤１７の印加電圧Ｖｃは、最大値が雷サージ電圧Ｖｓとほぼ同じ大きさで激しく脈動しつつ減衰する電圧波形となる。
【００３７】
図６は、図１の回路において第２コンデンサＣｃのみを設けた場合の雷サージ電圧Ｖｓ及び基盤１７の印加電圧Ｖｃの特性図である。基盤１７側に第２コンデンサＣｃのみを設けた場合には、図６に示すように、コンデンサＣｃはサージ吸収用コンデンサとして作用し、基盤１７の印加電圧Ｖｃは、最大値が雷サージ電圧Ｖｓの１／３以下程度の電圧に抑制され、振動しながら減衰する特性である。
【００３８】
図７は図１の回路において本発明の実施の形態における雷サージ保護装置１６を設けた場合の雷サージ電圧Ｖｓ、基盤１７の印加電圧Ｖｃ及びコモンモードチョークＬｃの電圧ＶＬｃの特性図である。図７に示すように、基盤１７の印加電圧Ｖｃは最大値が雷サージ電圧Ｖｓの１／１０以下程度の電圧に抑制され、大きな周期で振動しながら減衰する特性である。また、コモンモードチョークＬｃの電圧ＶＬｃも最大値が雷サージ電圧Ｖｓの１／１０以下程度の電圧に抑制され、大きな周期で振動しながら減衰する特性である。
【００３９】
以上述べたように、本発明の実施の形態によれば、雷サージ対策としてコモンモードのみにインピーダンスを持つコモンモードチョークＬｃを基盤１７側の制御ケーブル１４に直列に接続し、そのコモンモードチョークＬｃを挟んで２つの第１コンデンサＣ１及び第２コンデンサＣｃを並列に接続する。その結果、基盤１７の入力側のインピーダンスが減少し、機器１３と制御ケーブル１４と間の浮遊容量Ｃ０に雷サージのほとんどが印加され、基盤１７に達する電圧が減少する。従って、雷サージによる電圧及び電流が基盤１７に印加されることを抑制できる。
【００４０】
また、コモンモードチョークＬｃと第１コンデンサＣ１及び第２コンデンサＣｃを制御ケーブル１４の基盤１７側に接続するだけでよいことから既存の電気所にも容易に適用でき汎用性が高くコストも軽減できる。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】本発明の実施の形態に係わる雷サージ保護装置を電気所に適用した場合の一例を示す単線回路図。
【図２】図１の雷サージ保護装置の詳細図。
【図３】基盤側の制御ケーブルにコモンモードチョークとコンデンサとを接続した場合の特性検討のための単線回路図。
【図４】本発明の実施の形態における雷サージ保護装置を基盤側の制御ケーブルに接続した場合の特性検討のための単線回路図。
【図５】図１の回路において本発明の実施の形態における雷サージ保護装置を設けていない場合の雷サージ電圧Ｖｓ及び基盤の印加電圧Ｖｃの特性図。
【図６】図１の回路において第２コンデンサＣｃのみを設けた場合の雷サージ電圧Ｖｓ及び基盤の印加電圧Ｖｃの特性図。
【図７】本発明の実施の形態における雷サージ保護装置を設けた場合の雷サージ電圧Ｖｓ、基盤１７の印加電圧Ｖｃ及びコモンモードチョークＬｃの電圧ＶＬｃの特性図。
【図８】変電所での雷サージ伝搬経路の一例を示す説明図。
【図９】雷サージ保護装置としてサージ吸収コンデンサＣｓを採用した場合の単線回路図。
【図１０】雷サージ保護装置を設けることに代えて制御ケーブルとしてＣＶＶＳケーブルを採用した場合の電気所の従来例の一例を示す単線回路図。
【符号の説明】
【００４２】
１１…鉄塔、１２…メッシュアース、１３…機器、１４…制御ケーブル、１５…建家、１６…雷サージ保護装置、１７…基盤、１８…雷サージ電圧、１９…理想大地、２０…アース線
【図１】
2010022075.tif 000013
【図２】
2010022075.tif 000014
【図３】
2010022075.tif 000015
【図４】
2010022075.tif 000016
【図５】
2010022075.tif 000017
【図６】
2010022075.tif 000018
【図７】
2010022075.tif 000019
【図８】
2010022075.tif 000020
【図９】
2010022075.tif 000021
【図１０】
2010022075.tif 000022